本應(yīng)用說(shuō)明概述了呼吸機(jī)系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了精確測(cè)量和可靠保護(hù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它討論了氣動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)的四個(gè)關(guān)鍵組成部分：供氣、氣流混合物、吸氣和呼氣系統(tǒng)。每個(gè)組件中都有各種傳感器，包括壓力、流量、濕度和溫度傳感器。這些傳感器提供反饋以精確控制電磁閥，以確保風(fēng)量、壓力和空氣-氧氣混合物以指定的時(shí)間間隔輸送給患者。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包括多種故障安全功能和警報(bào)，以確保在任何條件下可靠運(yùn)行。

介紹

現(xiàn)代呼吸機(jī)是一種機(jī)電設(shè)備，旨在以設(shè)定的間隔以指定的壓力和體積提供精確的空氣-氧氣混合物。呼吸機(jī)提供四種不同的模式來(lái)輔助和支持呼吸。這些模式的范圍從依靠呼吸機(jī)進(jìn)行生命支持的患者的受控強(qiáng)制通氣到可以獨(dú)立呼吸的患者的持續(xù)氣道正壓通氣?；灸Ｊ桨ǎ?/p>

Positive End-Expiratory Pressure (PEEP)

Continuous Positive Airway Pressure (CPAP)

Controlled Mandatory Ventilation (CMV)

Synchronized Intermittent Mandatory Ventilation (SIMV)

為了以設(shè)定的體積和間隔提供精確數(shù)量的空氣-氧氣混合物，呼吸機(jī)系統(tǒng)需要精確測(cè)量四種模式中每一種的壓力、氣流和溫度。除了精確的氣流外，呼吸機(jī)還需要連續(xù)可靠地運(yùn)行。為此，呼吸機(jī)系統(tǒng)需要處理任何類型的系統(tǒng)故障。這包括電源故障、系統(tǒng)故障和天然氣供應(yīng)短缺。

本應(yīng)用筆記描述了四個(gè)子系統(tǒng)的呼吸機(jī)系統(tǒng)框圖，包括氣體輸送系統(tǒng)、氣動(dòng)氣體混合系統(tǒng)、吸入系統(tǒng)和呼氣系統(tǒng)。

氣體輸送系統(tǒng)

氣體輸送系統(tǒng)由氧氣罐和空氣罐組成，并帶有用于對(duì)空氣罐加壓的可選壓縮機(jī)。使用壓力傳感器監(jiān)測(cè)各個(gè)儲(chǔ)罐壓力，以確保正確的氣體輸送。這需要針對(duì)精確的壓力傳感器讀數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的可靠信號(hào)鏈解決方案。外部組件為壓力傳感器測(cè)量提供了最大的靈活性和準(zhǔn)確性。例如，MAX11128是多通道12位SAR ADC，具有1Msps，與MAX4430低失真運(yùn)算放大器和MAX6126等低噪聲基準(zhǔn)配對(duì)，可提供非常精確的壓力測(cè)量。

該精密信號(hào)鏈可確保如果氣體供應(yīng)低于設(shè)定壓力，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)以更換儲(chǔ)罐。對(duì)于帶有可選壓縮機(jī)的通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)可以控制壓縮機(jī)將空氣罐加壓到指定壓力。參見(jiàn)圖1。

圖1.呼吸機(jī)氣體輸送系統(tǒng)。

氣動(dòng)氣體混合系統(tǒng)

高壓氣體通過(guò)空氣調(diào)節(jié)器，將氣體壓力降低到系統(tǒng)規(guī)格?？諝庵械难鯕夂考s為21%。為了根據(jù)個(gè)體患者的需要增加氧氣含量，需要精確控制螺線管，以精確管理空氣-氧氣混合物的百分比。這需要高精度的12位DAC，如MAX5702。

空氣中正確的氧氣百分比是空氣制備的一個(gè)方面?？諝饣旌衔镆残枰訜岷图訚瘢宰畲笙薅鹊靥岣呤孢m度。必須使用溫度傳感器IC如MAX31875精確測(cè)量空氣溫度。參見(jiàn)圖2。

圖2.氣動(dòng)氣體混合系統(tǒng)

吸氣和呼氣系統(tǒng)

連接到患者的雙管系統(tǒng)以及壓力傳感器用于檢測(cè)呼吸模式并測(cè)量吸氣和呼氣期間的壓力。 在吸氣過(guò)程中，壓力傳感器在患者呼吸時(shí)檢測(cè)負(fù)壓。這會(huì)激活電磁閥以設(shè)定的速率和壓力釋放空氣-氧氣混合物。如果患者在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有呼吸，呼吸機(jī)將機(jī)械地提供呼吸。實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC），如MAX31342，為計(jì)時(shí)提供精確的低功耗方案。

在呼氣過(guò)程中，呼吸機(jī)控制呼氣閥以控制呼氣過(guò)程中的壓力。通過(guò)使用傳感器讀數(shù)和電磁閥控制，該機(jī)構(gòu)生成呼吸機(jī)系統(tǒng)的四種基本模式。參見(jiàn)圖 3。

圖3.吸氣和呼氣系統(tǒng)。

呼吸機(jī)系統(tǒng)的四種基本模式

呼氣末正壓 （PEEP） – 在這種模式下，當(dāng)患者呼氣時(shí)通過(guò)控制閥門來(lái)維持呼氣壓力，以在呼氣結(jié)束時(shí)略微增加肺泡壓力。

持續(xù)氣道正壓通氣 （CPAP） – 在這種模式下，系統(tǒng)提供恒定的壓力，保持氣道暢通無(wú)阻，用于無(wú)需幫助即可呼吸的患者。

受控強(qiáng)制通氣 （CMV） – 在這種模式下，呼吸完全由呼吸機(jī)控制。以設(shè)定的間隔向患者提供設(shè)定的體積和壓力的空氣量。

同步間歇強(qiáng)制通氣 （SIMV） – 在這種模式下，呼吸機(jī)檢測(cè)到呼吸并向患者提供設(shè)定的體積和壓力。如果在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)未檢測(cè)到呼吸，呼吸機(jī)將自動(dòng)為患者提供空氣。

除了測(cè)量和控制空氣輸送所需的高精度外，還需要故障安全系統(tǒng)來(lái)確保連續(xù)可靠運(yùn)行。

設(shè)計(jì)可靠的保護(hù)需要獨(dú)立的系統(tǒng)監(jiān)控。許多現(xiàn)代微控制器集成了多種保護(hù)功能，包括掉電檢測(cè)、看門狗定時(shí)器和其他類型的保護(hù)機(jī)制。然而，更可靠的方案部署外部監(jiān)控和看門狗定時(shí)器器件，如MAX16155，以獨(dú)立監(jiān)測(cè)電源軌并確保軟件正常工作。

通過(guò)使用外部基本模擬IC，設(shè)計(jì)人員可以構(gòu)建高精度和可靠運(yùn)行的呼吸機(jī)。當(dāng)今的醫(yī)用呼吸機(jī)系統(tǒng)需要精確測(cè)量壓力、氣流、濕度和溫度，以優(yōu)化四種基本模式：CPAP、PEEP、CMV 和 SIMV。此外，呼吸機(jī)還需要連續(xù)、可靠地運(yùn)行并處理任何類型的系統(tǒng)故障。為此，設(shè)計(jì)人員需要使用可靠的保護(hù)產(chǎn)品，包括監(jiān)控和看門狗產(chǎn)品。

審核編輯：郭婷